一种连铸结晶器热调宽方法与流程

本发明涉及冶金连铸领域，特别是涉及一种连铸结晶器热调宽方法。

背景技术：

钢铁冶金工业是一个国家的战略性产业之一，与国民经济密切相关。连铸作为钢铁生产流程中承上启下的关键环节，是当前我国钢铁生产结构调整与技术升级战略中值得重点关注的核心环节。近年来，连铸工艺已发展到很高的技术水平，以扩大生产范围，提高产品质量。特别是连铸连轧工艺兴起，连铸机必须快速匹配热轧生产节奏，提供满足热轧需规格尺寸的铸坯。同时，如何适应小批量、多规格的产品需求也是钢铁企业的重要课题。连铸结晶器热调宽技术应运而生，该技术避免了更换连铸结晶器、二次开浇带来的原材料和时间损失，提高了设备利用率、金属收得率，减少了生产消耗，降低了生产成本，是行业高度关注的连铸核心技术。

目前，连铸结晶器热调宽技术已向高速方向发展，如奥钢联热调宽的S模式、新日铁的NS-VWM(快速宽度调整连铸结晶器)技术。高速热调宽技术的最大特点是窄边的锥度变更与平行移动同时进行，大幅缩短调宽时间并减少因调宽造成的切割浪费。模型参数的设定是连铸结晶器热调宽关键技术之一，而热调宽水平加速度、窄边锥度变更的角速度是其中最核心的参数，其取值的大小对连铸结晶器在线调宽系统的安全性和可靠性起决定性作用。一旦模型参数设定不合理，连铸结晶器热调宽过程中窄边对铸坯造成过量的挤压会产生裂纹等铸坯缺陷，或造成窄边与铸坯气隙过大而影响坯壳的凝固与均匀性，严重时会引起鼓肚漏钢或粘结性漏钢的严重生产事故。

新日铁(专利US4660617A)公布了一种板坯连铸结晶器调宽方法，以坯壳强度作为调宽水平加速度等参数的设定依据，实现了高速调宽准备技术。由于其仅考虑了坯壳强度限制，未考虑中低拉速区域铸坯气隙的影响，在实际生产过程中其高速调宽必须匹配以较高拉速，否则会造成侧面“内凹”缺陷或坏壳破裂漏钢，这对于浇铸某些大断面、低拉速的钢种不匹配。

文献《结晶器在线热态调宽速度的研究》基于“坯壳应变率等于坯壳收缩率”的调宽原则来研究调宽速度，文献《Study on Casting Speed and the Speed of on-line Mould Width Adjustment of Slab Continuous Casting》依据结晶器调宽过程中坯壳受力状况，推导出调宽速度的计算方法并定量研究合理的拉速变化过程。这两种方法研究的依据都是铸坯壳的受力状态，而没有考虑调宽过程中气隙的影响。同时，其研究的模型参数仅为调宽速度，而没有综合考虑调宽水平加速度、窄边角速度等关键参数，从而不能完全保证结晶器热调宽过程中连铸生产的安全性。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种连铸结晶器热调宽方法，用于解决现有技术中对连铸结晶器热调宽时对关键参数的控制不当等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明第一方面提供一种连铸结晶器热调宽方法，连铸结晶器热调宽水平加速度α设定的边界条件为最大气隙及坯壳强度限制下的最小值，如式(1)所示：

α≤min(α_η，α_ε) (1)

式(1)中，α_η为连铸结晶器窄边与铸坯壳最大允许气隙限制下的最大水平加速度，单位mm/min²；α_ε为坯壳强度限制下的最大水平加速度，单位mm/min²。

在本发明的一些实施例中，0.8·min(α_η，α_ε)≤α≤min(α_η，α_ε)。

在本发明的一些实施例中，α满足式(1)要求的情况下尽量取最大值，即α＝min(α_η，α_ε)。

在本发明的一些实施例中，连铸结晶器窄边与铸坯壳最大允许气隙限制下的最大水平加速度α_η如式(2)所示：

式(2)中，η_max为连铸结晶器窄边与铸坯壳最大允许气隙，单位mm；U_C为拉速，单位mm/min；L为连铸结晶器有效高度，即钢水液面到结晶器底部的距离，单位mm。

在本发明的一些实施例中，1mm≤η_max≤4mm。

在本发明的一些实施例中，η_max＝2mm。

在本发明的一些实施例中，坯壳强度限制下的最大水平加速度α_ε如式(3)所示：

式(3)中，W为铸坯宽度的一半，单位mm；为铸坯临界应变率，单位min^-1；U_C为拉速，单位mm/min；L为连铸结晶器有效高度，单位mm。

在本发明的一些实施例中，

在本发明的一些实施例中，

在本发明的一些实施例中，450mm≤W≤1300mm。

在本发明的一些实施例中，600mm/min≤U_C≤2400mm/min。

在本发明的一些实施例中，800mm≤L≤900mm。

在本发明的一些实施例中，连铸结晶器窄边运动是水平运动与锥度变更运动的结合，角速度ω满足如下方程式：

ω＝α/U_c (4)

式(4)中，角速度ω的单位为rad/min，拉速U_C的单位为mm/min。

在本发明的一些实施例中，连铸结晶器热调宽的水平移动速度V_h与加速度呈线性比例关系，满足如下方程式：

V_h＝αt (5)

式中，水平移动速度V_h的单位为mm/min，时间t的单位为min。

如上所述，本发明的一种连铸结晶器热调宽方法，具有以下有益效果：采用上述方法：可以限制连铸结晶器热调宽过程中窄边铜板与铸坯的最大气隙，保证窄边铜板与铸坯较为充分接触，以防止因气隙热阻过大，铸坯角部冷却不充分，凝固推迟及热变形应力集中，而导致铸坯出现裂纹等缺陷。同时，控制坯壳应变小于临界应变，防止铸坯压塌以及产生铸坯窄边的凹凸形状而导致铸坯报废。并且，由于调宽模型参数设定是根据拉速变化而动态变化的，因此，可以在全拉速范围内完成调宽，无需额外升高或降低拉速。

附图说明

图1a显示为本发明实施例连铸结晶器热调宽过程中窄边顺时针旋转时铸坯壳的变形与气隙示意图。

图1b显示为本发明实施例连铸结晶器热调宽过程中窄边逆时针旋转时铸坯壳的变形与气隙示意图。

图2显示为连铸结晶器热调宽模型参数设定的边界条件示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

研究连铸结晶器热调宽的模型参数，首先考虑的因素是避免铸坯表面质量缺隙(如表面裂纹、窄边鼓肚、压塌等)和保证安全生产(如杜绝因热调宽引起的漏钢事故)，可以从最大气隙限制(充分均匀的冷却，防止窄边鼓肚)和坯壳强度限制(控制坯壳应变小于临界应变，防止铸坯压塌)两个方面来解决。调宽速度是加速度的线性函数，窄边角速度直接反映了窄边与铸坯的接触状态，因此调宽水平加速度及角速度的研究对实际生产中连铸结晶器热调宽模型参数的设定更有指导意义。

本发明提供一种连铸结晶器热调宽的方法，连铸结晶器热调宽水平加速度α设定的边界条件为坯壳强度及最大气隙限制下的最小值，如式(1)所示：

α≤min(α_η，α_ε (1)

式中，α_η为连铸结晶器窄边与铸坯壳最大允许气隙限制下的最大水平加速度，单位mm/min²；α_ε为坯壳强度限制下的最大水平加速度，单位mm/min²。

连铸结晶器窄边与铸坯壳最大允许气隙限制下的最大水平加速度α_η如式(2)所示：

式中，η_max为连铸结晶器窄边与铸坯壳最大允许气隙，单位mm；U_C为拉速，单位mm/min；L为连铸结晶器有效高度，单位mm。

连铸结晶器窄边与铸坯壳最大允许气隙η_max取值范围为1mm～4mm，更优选地，η_max的取值为2mm。

坯壳强度限制下的最大水平加速度α_ε如式(3)所示：

式中，W为铸坯宽度的一半，单位mm；U_C为拉速，单位mm/min；为铸坯临界应变率，单位min^-1；L为连铸结晶器有效高度，单位mm。

铸坯临界应变率与钢种、坯壳温度相关，取值范围为更优选地，的取值为1.8×10^-2·min^-1。

需要说明的是，在中低拉速区域，连铸结晶器热调宽水平加速度α的取值主要取决于最大气隙限制，其设定值与浇铸速度U_c的平方呈正比；在高拉速区域，连铸结晶器热调宽水平加速度α的取值主要取决于坯壳强度限制，其设定值与浇铸速度U_c呈正比。

进一步，连铸结晶器窄边运动是水平运动与锥度变更运动的结合，角速度ω满足如下方程式：

ω＝α/U_c (4)

式中，角速度ω的单位为rad/min，拉速U_C的单位为mm/min，水平加速度α的单位为mm/min²。

进一步，连铸结晶器热宽调宽的水平移动速度V_h与加速度α呈线性比例关系，且初始速度为0，满足如下方程式：

V_h＝αt (5)

式中，水平移动速度V_h的单位为mm/min，时间t的单位为min。

下面结合图1a、图1b、图2详细地阐述本发明。

图1a、图1b为连铸结晶器热调宽过程中窄边旋转与铸坯壳的变形与气隙示意图。连铸结晶器热调宽至少分为变锥和复锥两个步骤：如图1a所示，当锥度角由小变大的过程中(变锥)，角速度ω顺时针旋转，窄边上端的坯壳变形速率为正，铸坯受压，窄边下端的铸坯变形速率为负，坯壳与连铸结晶器窄边下端产生气隙；如图1b所示，当锥度角由大变小的过程中(复锥)，角速度ω逆时针旋转，坯壳与窄边上端产生气隙，窄边下端的坯壳受压。

令表示热调宽过程中铸坯的实际变形速率及实际气隙变化速率，则：

上式表明，连铸结晶器热调宽过程中铸坯的变形速率及气隙变化速率与连铸结晶器热调宽速度的大小没有直接关系，仅取决于连铸结晶器调宽时的角速度ω。又由于角速度为热调宽α与拉速U_C的比值，当拉速恒定的情况下，坯壳变形速率及气隙变化速率仅取决于热调宽水平加速度α；连铸结晶器热调宽过程中，拉速U_C与调宽水平加速度α恒定，则ω恒定，此时坯壳变形速率及气隙变化速率保持不变。

研究连铸结晶器热调宽的模型参数，首先考虑的因素是避免铸坯表面质量缺隙(如表面裂纹、窄边鼓肚、压塌等)和保证安全生产(如杜绝因热调宽引起的漏钢事故)，可以从最大气隙限制(充分均匀的冷却，防止窄边鼓肚)和坯壳强度限制(控制坯壳应变小于临界应变，防止铸坯压塌)两个方面来解决。因此本实施例将这两个方面作为调宽模型参数的设定原则，对连铸结晶器热调宽水平加速度α及角速度ω进行公式推导和定量研究。

最大气隙限制：连铸结晶器的基本作用是从钢液中取走热量和形成坯壳形状并保持它,气隙的存在将会影响连铸结晶器传热效率和坯壳的凝固速度，使连铸结晶器的基本作用减弱。连铸结晶器传热最大的热阻是来自于坯壳与连铸结晶器之间的气隙，气隙的热阻占总热阻的71％～90％，气隙发生微小的变化都会对铸坯凝固的整个温度场产生很大的影响。因此，连铸结晶器热调宽模型参数的设定必须控制连铸结晶器窄边与铸坯的最大气隙，以防止铸坯产生角部表面缺陷及纵向裂纹。

连铸结晶器热调宽过程中，窄边铜板沿着窄边中心旋转以实现锥度变更(如图1所示)，最大气隙出现在窄边两端，与窄边中心的距离为L/2，则时间内气隙的累计变化量为连铸结晶器热调宽过程中窄边与铸坯壳的最大气隙η_max，表示如下：

结合式(6a)和式(7)，连铸结晶器窄边铜板与铸坯最大气隙限制下水平加速度α_η的控制方程式如下：

坯壳强度限制：连铸结晶器热调宽过程中安全生产的前提条件是避免发生漏钢事故，漏钢的原因之一是坯壳发生裂纹。有以下三种假说可以作为衡量坯壳是否会产生裂纹的判据：①临界应变假说；②临界应力假说；③临界时间假说。通过将铸坯的综合应变小于安全应变(0.3％～0.7％)作为辊列设计的依据。因此，连铸结晶器热调宽过程中应保证铸坯壳的应变速率小于临界应变率，以避免铸坯由于过压而产生表面裂纹甚至漏钢的风险。铸坯壳的临界应变与钢种、坯壳厚度和表面温度有关。

令整个铸坯宽度为2W，每个窄边的调整宽度为铸坯的一半W，铸坯应变为ε，定义为变形量λ除以W，则公式(6b)改为由应变率表示：

为了避免产生浇铸缺陷，铸坯的应变率必须小于由坯壳强度决定的临界应变率则

故，坯壳强度限制下的水平加速度α_ε的控制方程式如下：

模型参数设定的边界条件：连铸结晶器热调宽模型参数(水平加速度α)设定的边界条件应为最大气隙及坯壳强度限制下的最小值，如式(1)所示。

α≤min(α_η，α_ε) (1)

图2为连铸结晶器热调宽模型参数设定的边界条件示意图，在浇铸速度U_c较低区域，水平加速度α_s主要由气隙限制，与浇铸速度U_c平方呈正比例关系。当浇铸速度U_c到达较高区域时，水平加速度α_s主要由坯壳强度限制，与拉速U_c呈正比例关系，如式(4)所示，角速度ω_s是水平加速度α_s与拉速U_c的比值，水平加速度的边界条件确定后，可以方便地角速度ω_s的边界条件。

实施例1

根据生产工艺经验，临界应变率(中碳钢铸坯温度1350℃时)，最大气隙η_max＝2mm，铸坯最小宽度2W＝900mm，连铸结晶器有效高度L＝800mm。根据前面公式可得到模型参数的设定值如表1所示。

表1模型参数设定表

实施例2

设调宽时拉速Uc＝1200mm/min，连铸结晶器有效高度L＝800mm，工艺要求：临界应变率最大气隙η_max＝2mm，铸坯最小宽度2W＝900mm。

1)安全调宽区域：实际调宽水平加速度为α＝15mm/min²(小于边界条件α_s＝18mm/min²)，则角速度ω＝0.0125rad/min，调宽过程中气隙为η＝1.67mm，铸坯壳应变速率则满足工艺要求的最大气隙限制条件(η≤η_max)及铸坯壳强度限制可以保证连铸结晶器窄边与铸坯壳较为紧密地接触，充分均匀冷却，防止窄边鼓肚，同时保证铸坯壳不会因为过压而产生裂纹。

2)非安全调宽区域：实际调宽水平加速度为α＝24mm/min²(大于边界条件α_s＝18mm/min²)，则角速度ω＝0.02rad/min，调宽过程中气隙为η＝2.67mm，铸坯壳应变速率则满足工艺要求的铸坯壳强度限制但是不满足最大气隙限制条件(η＞η_max)，连铸结晶器窄边与铸坯壳的气隙较大，铸坯壳因为冷却不充分而产生边角裂纹，窄边鼓肚。

实施例3

设调宽时拉速Uc＝1800mm/min，连铸结晶器有效高度L＝800mm，工艺要求：临界应变率最大气隙η_max＝2mm，铸坯最小宽度2W＝900mm。

1)安全调宽区域：实际调宽水平加速度为α＝32mm/min²(小于边界条件α_s＝36.45mm/min²)，则角速度ω＝0.018rad/min，调宽过程中气隙为η＝1·58mm，铸坯壳应变速率则满足工艺要求的最大气隙限制条件(η≤η_max)及铸坯壳强度限制条件可以保证连铸结晶器窄边与铸坯壳的较为紧密接触，充分均匀冷却，防止窄边鼓肚，同时保证铸坯壳不会因为过压而产生裂纹。

2)非安全调宽区域：实际调宽水平加速度为α＝40mm/min²(大于边界条件α_s＝18mm/min²)，则锥度变更速度ω＝0.022rad/min，调宽过程中气隙为η＝1.98mm，铸坯壳应变速率则满足工艺要求的最大气隙限制条件(η≤η_max)，但是不满足铸坯壳强度限制铸坯表面存在凹凸缺陷。

如上所述，本发明具有以下有益效果：

1、整个调宽过程中窄边铜板与铸坯之间的气隙最小，窄边对铸坯壳支撑稳定均匀，可以适应各种钢种，避免漏钢风险，确保生产安全。

2、保证生产安全的同时尽量采用较高的调宽水平加速度，从而可以提高调宽速度，大幅缩短调宽时间并减少因调宽造成的切割浪费。

3、可以在全拉速范围内完成调宽，以实际生产拉速完成调宽，无需额外升高或降低拉速，从而确保生产工艺参数的恒定以保证铸坯质量的稳定。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。